 |
|
|
|
Articolo estratto dalla nostra omonima rivista trimestrale dedicata alle imbarcazioni
più grandi e lussuose con fotografie, schede tecniche, articoli didattici,
ultime notizie e novità dal mercato
Articolo di |
LA MANOVRABILITÀ
Negli articoli precedenti ho trattato la scelta della carena
relativamente alla velocità e alla tenuta di mare,
tenendo presente la stabilità per la sicurezza e
trascurando la manovrabilità. In questo articolo
cercherò di esporre in modo semplice la
manovrabilità delle navi.
Le qualità manovriere delle navi sono state oggetto di estesi studi ed esperienze in sede mondiale, soprattutto nel campo delle grandi navi, che, per la loro natura, si presentano generalmente scarsamente manovriere e con più o meno accentuate caratteristiche d'instabilità di rotta. Tale fatto, oltre a essere nocivo per l'efficienza della nave, influisce sulle doti di sicurezza, importanti in modo particolare con carene molto portanti di poppa e con mare di poppa. Per manovrabilità della nave si intende la capacità di mantenere e variare velocità e direzione per mezzo di dispositivi appositi, secondo esigenze derivanti dalla natura stessa della nave. Naturalmente, a un'azione di controllo necessaria per il governo, la nave reagisce in un certo numero di maniere, dipendenti dalle sue caratteristiche geometriche, cinematiche e dinamiche, dal tipo e dal dimensionamento degli organi attraverso i quali viene esercitato il controllo, dalla mutua interazione tra organi di controllo e nave, e infine, da tutte le cause esterne perturbatrici del moto che si verificano per mare. Prendendo in esame il moto rettilineo ed evolutorio della nave nel piano orizzontale, si tratta di identificare gli aspetti più rappresentativi delle reazioni della nave ad azioni di controllo, intese a variarne la direzione, e della sua tendenza a conservare o meno la direzione in moto rettilineo, in seguito ad azioni provocate da disturbi esterni. Queste reazioni, identificate come fisicamente rappresentative dei vari aspetti di governo in direzione, vengono denominate "qualità" di governo e permettono di valutare, isolatamente o comparativamente, le capacità e le possibilità effettive della nave e dei suoi organi di governo, in fase di mantenimento di una determinata direzione o in fase di mutamento della medesima. Non sembra inutile cercare di esaminare, nella maniera più semplice possibile, questo importantissimo capitolo della dinamica della nave, che assieme a quello della tenuta al mare è, molto spesso, se non ignorato, almeno interpretato in modo non del tutto corretto attraverso relazioni empiriche che, evidentemente, rappresentano scarsamente la completezza del problema. Il progetto dei mezzi di governo non è che una parte dello studio della manovrabilità ed è irrazionale eseguirlo a se stante, indipendentemente dalla carena su cui devono essere sistemati. Le qualità di governo si definiscono come: STABILITÀ DI ROTTA, MANOVRABILITÀ e ABILITÀ EVOLUTIVA. La STABILITÀ DI ROTTA si associa al concetto elementare di equilibrio stabile che si riconosce a un fenomeno fisico, quando le condizioni iniziali del fenomeno, mutate all'insorgere di una causa accidentale, vengono a ristabilirsi al cessare della causa perturbatrice. La MANOVRABILITÀ è la capacità più o meno accentuata che una nave ha di rispondere all'azione dei mezzi di controllo, che possono tendere a farle cambiare direzione dal moto rettilineo o a ripristinare la rotta prefissata, se una causa qualsiasi di disturbo l'abbia variata. L' ABILITÀ EVOLUTIVA è la capacità più o meno accentuata di una nave ad invertire la direzione, sotto l'azione degli organi di controllo, in specchi d'acqua ristretti. A queste qualità di un'imbarcazione si può aggiungere anche la capacità di poter cambiare, in un certo tempo, la velocità del moto, cioè la capacità di accelerazione e di decelerazione. Quest'ultima prerogativa, pur appartenendo a rigore di termini alla manovrabilità in senso generale, dipende però, almeno in massima parte, dalla potenza dell'apparato motore e dal progetto del propulsore.
Fig. 1 Le condizioni di moto rettilineo di una nave, al cessare delle cause perturbatrici, possono essere spontaneamente ristabilite secondo tre modi, rappresentati in Fig. 1, che sono: Caso I : stabilità di rotta rettilinea è quando la nave, al cessare del disturbo, riprende spontaneamente il moto rettilineo su una direzione diversa dall'originale. Caso II e III : stabilità direzionale è quando la nave, al cessare del disturbo, riprende, dopo una fase di moto direzionale vario, la stessa direzione originaria ma su un percorso spostato rispetto all'originario. Caso IV : stabilità di percorso è quando la nave, al cessare del disturbo, riprende lo stesso percorso originario. Nei quattro casi citati non si considerano le azioni esercitate da organi di controllo in quanto, dal punto di vista idrodinamico, il concetto di stabilità di rotta si associa alla capacità spontanea della nave di riportarsi nelle condizioni iniziali. Si osserva che, in pratica, una nave può al massimo avere qualità intrinseca di rotta rettilinea.
Fig. 2 La stabilità di rotta si può aumentare con mezzi di governo fissi, come i pieni di poppa Fig. 2, ottenendo delle volte navi troppo stabili. In tal caso la manovrabilità con il timone può essere compromessa. Generalmente gli attributi di stabilità nel piano orizzontale con mezzi di governo fissi sono indipendenti dalla velocità, cioè se una nave ha una stabilità di moto rettilineo alle basse velocità, l'ha anche alle velocità più elevate e viceversa. Una nave di grande momento di inerzia di massa (grandi masse distribuite all'estremità prodiera e poppiera) non devierà repentinamente dalla sua rotta e non tornerà facilmente ad essa; una nave di piccolo momento d'inerzia di massa devierà subito dalla sua rotta, però tornerà più facilmente ad essa. Per avere, nel primo caso, più facili dirottamenti si dovrà sistemare un timone che a piccoli angoli dia grandi forze; nel secondo caso si sistemerà, invece, un timone che agli stessi angoli dia forze più piccole. Molte volte la dissimetria delle spinte dei propulsori e/o della resistenza all'avanzamento, quest'ultima dovuta alla dissimetria del flusso sullo scafo, fanno sì che la rotta rettilinea sia tenuta solamente con un certo angolo di barra. Il flusso lungo i due fianchi di una nave che non ha disavviamenti in carena e si muove, senza timoni, in acqua tranquilla, è simmetrico. Le forze trasversali alla nave, che possono essere prodotte dal moto dell'acqua lungo lo scafo, per la simmetria della nave, si bilanciano a vicenda. Non appena si porta il timone ad un angolo di barra α, nasce una forza P che non giace sul piano di simmetria della nave. Tale forza provoca in genere un moto trasversale della nave e rotazioni intorno a tre assi perpendicolari fra loro. Solo uno di tali moti, cioè la rotazione intorno all'asse verticale, è quello che si desidera ottenere; gli altri vanno considerati come secondari e indesiderabili.
Fig. 3 Le forze che provocano il moto della nave nel piano orizzontale, danno origine a tre differenti fasi del moto (Fig. 3). La prima fase ha inizio quando si mette alla barra il timone e termina non appena la nave inizia a ruotare intorno all'asse verticale. Durante la seconda fase la velocità angolare di rotazione aumenta, mentre nella terza la velocità angolare rimane costante e la nave descrive il così detto "cerchio di evoluzione". Non appena si dà angolo al timone e inizia la prima fase, si genera la forza P che agisce normalmente al piano di simmetria del timone.
Fig. 4 La componente longitudinale della forza P , generata dal timone, P sen α , agisce nella stessa direzione della resistenza della nave e, quindi, ne ritarda la velocità. La componente trasversale, P cos α , dà alla nave un moto trasversale e provoca anche una coppia che deve vincere il momento d'inerzia di massa della nave. Nei primi momenti predomina la forza P sen α , che fa scarrocciare la nave a sinistra se si dà barra a dritta, senza alcuna apprezzabile rotazione attorno all'asse verticale (Fig. 4). Nella seconda fase, in conseguenza dello spostamento trasversale, che avviene nella prima fase, e dell'inizio della rotazione, la resistenza W all'avanzamento della nave, originariamente agente nel piano longitudinale di simmetria, gradualmente si trasforma in una resistenza W' che agisce ad un angolo β rispetto al piano longitudinale di simmetria, sul lato sinistro se il timone ha barra a dritta. La componente longitudinale W' cos β , insieme alla forza P sen α , ritarda il moto della nave, e la componente trasversale W' sen β contrasta la forza P cos α , cosicché lo scarrocciamento a sinistra, che si ha nella prima fase, cessa (Fig. 4). Ora la nave segue una traiettoria curva, il cui raggio di curvatura diminuisce con l'aumentare della velocità angolare. Poiché la forza W' agisce su un punto compreso fra il centro di gravità G e la prora, la nave avanza con la prora verso l'interno e la poppa all'esterno della traiettoria descritta dal centro di gravità. Nelle prime due fasi le forze e i moti variano, mentre nella terza fase si hanno condizioni costanti. Raggiunto l'equilibrio delle forze, che si ha nelle prime due fasi, ha inizio la terza fase. Le accelerazioni angolari positive e negative in direzione opposta a quella della velocità tangenziale Vt cessano entrambe, mentre la forza centrifuga è bilanciata dalle forze idrodinamiche che nascono nel moto. Il raggio di curvatura R diventa costante ed il centro di gravità della nave traccerà un cerchio di evoluzione. La velocità della nave, diminuita durante le due prime fasi, rimane costante. Uno dei risultati secondari indesiderabili dell'uso del timone è lo sbandamento della nave intorno ad un asse longitudinale; ciò è dovuto al fatto che le forze trasversali agiscono su posizioni verticali diverse. Inoltre, queste forze variano col passare della nave attraverso la prima e la seconda fase, cosicché lo sbandamento dipende, in ciascun istante, dalla fase nella quale si trova la nave in quell'istante.
Fig. 5 Nella prima fase le forze trasversali agenti sono la componente della forza generata dal timone P cos α e poi la componente della resistenza W' sen β . Poiché W' sen β è piccola all'inizio dell'evoluzione, e quindi di lieve importanza, P cos α causa lo sbandamento verso dritta quando si mette la barra a dritta e viceversa. La forza W' sen β aumenta allora gradatamente e lo sbandamento diminuisce lentamente (Fig. 5).
Fig. 6 Non appena la nave inizia a girare nella seconda fase, entra in gioco la forza centrifuga (D' / g) (Vt² / R) cos δ ( δ = angolo di deriva ). In conseguenza la nave tenderà a sbandare sulla sinistra se nella prima fase è stata messa la barra a dritta e viceversa (Fig. 6). L'angolo di sbandamento φ maggiore si raggiunge immediatamente dopo il cambiamento di sbandamento da dritta a sinistra, poiché, a causa della sua inerzia di massa, la nave sbanda al di là della sua posizione di equilibrio statico. In questa condizione, se il timone fosse riportato al centro, la forza del timone P cos α scomparirebbe e non contrasterebbe la forza W' sen β , per cui lo sbandamento a sinistra diverrebbe maggiore. Ciò va considerato con attenzione, in quanto il timoniere, temendo un sbandamento eccessivo, potrebbe riportare il timone al centro o peggio, dare barra contraria e peggiorare ancora di più la situazione; invece, l'unica azione sicura sarebbe quella di ridurre la velocità della nave fermando i propulsori. È evidente che il pericolo di capovolgimento in tali circostanze è molto più probabile nelle navi che abbiano alcune o tutte delle seguenti caratteristiche: un centro di gravità alto, una piccola altezza metacentrica, un'elevata velocità o un piccolo cerchio di evoluzione. Il diametro di girazione R va da circa 3 a 7 volte la lunghezza della nave. Quest'ampia variazione del diametro R può essere influenzata dalle forme di carena o dalle forme e dal tipo di timone.
Fig. 7 Come abbiamo visto, per aiutare la stabilità di rotta bisogna che il massiccio (pieno) di poppa sia il più grande possibile, mentre per avere piccoli diametri del cerchio di evoluzione occorre asportare il massiccio di poppa. Ciò vuol dire che la stabilità di rotta e piccolo diametro del cerchio di evoluzione sono due caratteristiche che non possono essere ottenute simultaneamente. Quindi la riduzione della velocità che si ha durante un'evoluzione è una funzione della grandezza del diametro di girazione e del tipo di carena, cioè del suo coefficiente di finezza totale Cb (Fig. 7). Le altre prove che mettono in luce le qualità evolutive di un'imbarcazione sono la "manovra a spirale" e la "manovra a zig-zag". La manovra a spirale è la prova più adatta per individuare le qualità di rotta anche perchè fornisce quantitativamente l'entità della instabilità, se esiste. La manovra a zig-zag fornisce gli indici di abilità evolutiva e di manovrabilità in fase di moto non uniforme e, perciò, con più aderenza alla realtà. Importante notare che i dati raccolti dalle varie prove, opportunamente analizzati, forniscono elementi necessari per il proporzionamento dei servomeccanismi per gli impianti automatici di governo. Dopo aver esposto gli argomenti sulla manovrabilità, senza entrare nel particolare e nello sviluppo delle formule matematiche relative ai vari casi e prove, ho ricordato un'intervista fatta da un giornalista ad un architetto. Alla domanda "Lo studio della carena è importante?" la risposta è stata "No. È tutto ottimizzato dai computer"... Mi domando come può un computer decidere: un pieno di poppa, una ruota di prua a grande raggio oppure piccolo, una poppa molto portante idrodinamicamente o viceversa, un angolo di penetrazione abbinato a forme avviate idrodinamicamente (l'avviamento geometrico nei tre piani il computer lo fa benissimo), una larghezza che soddisfi la stabilità (per la sicurezza dell'equipaggio) e i criteri idrodinamici, ecc.? Non parliamo poi della struttura! |
